Projektorobjektiv, MTF, aberrationer i projektorer, skärpedjup, Keystone, Scheimpflugvinkel

Transkript

1 Projektorobjektiv, MTF, aberrationer i projektorer, skärpedjup, Keystone, Scheimpflugvinkel Optiken till en projektor ska fylla fem funktioner i. Den ska hand om så stor del av ljuset från lampan (eller den belysningskälla man använder) ii. Den ska helst ge möjlighet att förstora och förminska bilden samt fokusera den i ett så stort intervall som möjligt. iii. Den ska teckna bilden lika skarpt över hela bildfältet iv. Den ska inte förvränga bilden, speciellt ska räta linjer avbildas räta v. Man vill ofta kunna projicera på en yta som lutar gentemot optiska axeln. Den första egenskapen och delvis den andra har att göra med samspelet mellan kondensorsystemet (belysningsoptiken) och objektivet och behandlas därför i nästa kapitel. Zoom och fokusering Praktiskt vill man ju att projektorn ska ge en bild på ett givet avstånd (som kan variera). Detta innebär att bildavståndet till den sista linsen (eg. linspaketet, men vi kallar den linsen hädanefter) blir givet. Tillsammans med dess fokallängd får vi då förstoringen som b b ( f b ) b M = = a b f f Ska man kunna variera storleken på slutbilden måste man alltså kunna variera det som används som objekt till denna dvs bilden till den första linsen, För att systemet inte ska blir för långt (och alltså bli åbäkigt och slösa med ljus) gör man den första avbildningen i en negativ lins. Om objektet ligger alldeles framför denna blir förstoringen ungefär 1, medan ju längre bbort man lägger den desto mindre blir mellanbilden. Titta på nedanstående figur där vi valt den första linsen till att ha en fokallängd på -40 mm och den andra +50 mm. Bildavståndet väljer vi till 10 m vilket ger att objektsavståndet till lins ska vara 50,5 mm.

2 Den totala förstoring avgörs nu av var objektet (= diabilden, filmen eller LCD-matrisen) och lins 1 placeras. Väljer vi linsplacering så bestäms därmed också var objektet ska ligga. Vi tittar på två fall. I det första väljs avståndet mellan linserna, d, till 40,5mm, vilket följaktligen ger att mellanbilden ska ligga 10mm före lins 1. Vi kan nu med linsformeln räkna ut objektavståndet till 13.33mm. Förstoringen blir (10/13,333) x (10000/50,5)=149ggr, dvs en diabild 4 x 36mm blir 3,6m x 5,4m. Möjligen lite för stort? Variant nr ger en förstoring på 98,3ggr, dvs,4m x 3,5m. Ökar man d ytterligare blir bilden än mindre. Aberrationer Om ovan beskrivna objektiv skulle utföras mha två tunna linser skulle bilden bli miserabel. Nedan följer en figur med en sådan konstruktion gjord i ett linshanteringsprogram Det är mycket man kan utläsa ur ovanstående men det viktigaste är stråldiagrammen och spotdiagrammet. Översta raden raden visar hur oskarp bilden av en punkt blir i mitten av synfältet. Detta är i storleksordning 10mm och kan kanske till nöds accepteras (om publiken är tillräckligt synsvag), men andra raden beskriver vad som händer i periferin av bilden, och där ser man att oskärpan är i dm-klass. I kommersiella objektiv händer naturligtvis inte detta. Sfärisk aberration, koma och astigmatism har man alltid kompenserat bort. De aberrationer som återstår är dyrare att göra någonting åt, så det är här kvalitetsskillnaderna börjar göra sig gällande. De fel som brukar förekomma är bildfältskrökning och distorsion. Bildfältskrökning yttar sig som att den yta där bilden är skarp inte överensstämmer med den yta den projiceras på. Vanligen är den ytan plan och symptomet blir då att man får skärpan antingen i mitten av bilden eller i periferin, men aldrig bäggedera samtidigt. Detta kan korrigeras genom att objektivet kompletteras med en svagt negativ fältlins placerad nära objektet. I en del

3 sammangang ska bildfältet vara krökt, exempelvis då man projicerar på välvda ytor (Cosmonova!), eller vissa typer av dome-displayer, där man omges av bilden. Den optik som används i dessa sammanhang är optimerad för att ge mycket stor bildfältskrökning och kan alltså inte användas på vanlig plan yta. Ögat är ett annat exempel på en design utformad för att ge en lagom krökt bild, avpassad till näthinnan. Distorsion yttrar sig som att förstoringen är positionsberoende i bilden. Detta ger oss linjer som är krökta (men skarpt avbildade) när de inte ska vara det och tvärt om. MTF För att beskriva kvaliteten i en optisk avbildning eller annat optiskt instrument behöver man ett standardiserat mått på upplösning (förmåga att särskilja små detaljer) och konstrast (normaliserad intensitetsskillnad mellan mörka och ljusa partier). Information om bägge dessa får man genom det som kallas MTF (Modulation Transfer Function) vilken är en funktion av linjetäthet (spatial frekvens), för vilka modulationen mäts i objekt och bild, varefter kvoten bildas. Modulation defineras som och för att definera MTF behöver vi objekt med så bra modulation som möjligt. Ofta väljer man då randmönster med sinusformigt varierande intensitet. I min blir då 0 vilket gör att modulationen blir 1. Det är uppenbart att allteftersom vi byter till objekt med högre och högre spatial frekvens blir skillnaden mellan mörker och ljus mindre. När vi inte längre ser bilden av objektet är ju Imax=Imin och modulationen blir 0. Vidare finns det ett direkt samband mellan ett optiskt systems förmåga att avbilda en skarp kant och hög MTF för höga spatialfrekvenser. En skarp kant och ett sinusmönster med hög frekvens innehåller ju bägge snabba variationer i intensitet. Med fourieranalys kan man sedan (fast vi inte gör det) visa att alla bilder kan delas upp i spatialfrekvenser där höga frekvenser alltid motsvarar skarpa kanter. MTF blir alltså en kurva som börjar på 1 för låga frekvenser och sedan på olika sätt sjunker mot noll. Den spatialfrekvens där vi kommer ner till modulationen noll brukar kallas upplösningsgräns eller på suverän svenska cut-off-frekvens. Testa själv sambandet mellan olika MTF funktioner och förmågan att avbilda ett svartvitt randmönster. Man kan (utan att editera filen) välja mellan tre olika former på MTF-kurva och godtyckligt värde på gränsfrekvens (1 motsvarar ett linjepar på fyra pixlar på skärmen, dvs lägre värde kommer att vara skärmbegränsat). Gaussisk MTF är typisk för aberrationer, sinc för felfokusering och rect för diffraktion i koherenta system. Vidare kan man ur ett MTF diagram läsa av fler saker än högsta upplösbara spatialfrekvens. Ett lågt och konstant värde för låga frekvenser betyder mycket ströljus i systemet. Smuts har ofta denna effekt på linser. Det innebär att kontrasten blir dålig även för grova linjer. Antag att vi i nedanstående bild har 0,3mm mellan linjerna i l -et och i -et och 0,5mm mellan de vertikala linjerna i h -et.

4 Sedan tittar vi på detta genom en optik vars MTF-kurva går ner till noll vid tre resp fem linjer per mm I det första fallet är bokstaven h fortfarande upplöst men inte li-. I den andra ser man inga av de stående staplarna. Men ögat/hjärnan är fantastiskt på att ändå tolka texten. Skärpedjup Skärpedjupet i en projektor lyder naturligtvis samma samband som i en kamera, men eftersom det i det i kamerafallet är objektsavståndet som är mycket större än f och i projektorfallet är bildavståndet blir resultatet ändå ganska annorlunda. Vanligen definierar man en största tillåtna oskärpecirkel i bildplan, d så får man enkelt att Δb d = b D Detta gäller i det lineariserade fallet då felfokuseringen är måttlig jämfört med bildavståndet. Viktigt att notera är att oskärpan aldrig blir större än objektivet. Valet av d styrs i huvudsak av hur nära duken man vill låta åskådarna sitta. Vill man i stället få ett mått på hur noga objektsavståndet måste ställas in använder vi uttrycken från föreläsning Δb a Δb = M = = b a M b ad MD fd MD = d M (# f ) Vid 100ggr förstoring, 5mm accepterad oskärpa och bländare 4 måste alltså objektavståndet ställas in med en noggrannhet av 0,mm. Keystone och Scheimpflug När man projicerar mot en yta vars normal bildar en vinkel det det belysande fältets symmetriaxel dyker två besläktade problem upp. Se som typfall att man med en videoprojektor avbildar snett upp mot en plan vertikal vägg. Keystoneeffekt är då att bilden av en kvadrat blir en parallelltrapets med tratten vänd uppåt. Detta beror på att bildavståndet blirt större ju längre upp mot väggen man går. Flera mer eller mindre fantasifulla lösningar

5 har föreslagits på detta, men ingen har vunnit allmän acceptans, mycket därför att man måste göra avkall på normal bildkvalitet om man ska kompensera bort detta. I de videoprojektorer som har automatisk keystonekompensation (eller felaktigt kortare automatisk keystone) gör man objektet till en parallelltrapets (med tratten neråt) genom att komprimera bilden i nedre delen. Detta innebär alltså att man inte använder alla pixlarna i den nedre delen av bilden. Det andra problemet är att bilden i överdel och underdel inte blir skarpa för samma inställning (Vem har inte sett en OH-användare ändra skärpan när han/hon går från övre delen av bilden till undre?) Detta kompenseras genom att luta objektet i en vinkel som är väggens lutning delat med förstoringen. Det som är givet är ju oftast symmetriaxlens vinkel med det rätvinkliga bildplanet, β. I fig ovan utmärks den av den lutande svarta bilden. Δb β tan β h Δb h = ' 1 = = M M = M α tanα h' h Emellertid gäller också tan β b / c b = = tanα a / c a Dvs man kan lätt konstruera fram objektslutningen genom att objektets och bildens förlängningslinjer ska skära varandra i linsplanet I en del fall (OH-projektor t ex ) kan det vara motiverat att luta linsen i stället, men effekten av detta blir detsamma.